REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE
ـــــتلا ةرازو
ـــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــ
علا ثحــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــبلا و لياــــــــــــــــــــــــــــــعلا مـــــــــيلــــــعـــــــــــــ
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يــــــــــــمــــــلــــــــــــــ
Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique
ــياـــــــقــــلــــب رــــــــــــكــب بيأ ةعماـــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــج
د
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ــــــــــــــــسملـــــــت
ناـــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــ
–
Université Aboubakr Belkaïd – Tlemcen –
Faculté de TECHNOLOGIE
THESE
Présentée pour l’obtention du grade de DOCTEUR EN SCIENCES En : Architecture
Spécialité : Architecture
Par : GHAFFOUR Wafa ep. BELAID
Sujet
Etude de l’effet de la morphologie urbaine sur le confort thermique des espaces extérieurs ». Cas d’étude : La ville de Tlemcen
Soutenue publiquement, le 09 / 07 / 2020 , devant le jury composé de :
Mr. ALILI Abdessamad MCA Univ. Tlemcen Président
Mr. OUISSI Mohammed Nabil Professeur Univ. Tlemcen Directeur de thèse
Mr. VELAY-DABAT Marc André Professeur ENSA Marseille Co- Directeur de thèse
Mr. DJEDID Abdelkader Professeur Univ. Tlemcen Examinateur 1
Mme. DJIAR Kahina MCA EPAU Alger Examinateur 2
Mr. BOUKARA Abdelaziz MCA ENSA Marseille Invité 1
A l’issue de mon travail de thèse de doctorat, je tiens à remercier très sincèrement, et tout particulièrement :
- Mon directeur de thèse Prof Mohammed Nabil OUISSI pour avoir dirigé et suivi ce
travail. Je tiens donc à lui exprimer ma sincère reconnaissance pour sa confiance, sa disponibilité et ses encouragements.
- Mon co-directeur de thèse Prof Marc André VELAY DABAT ainsi que Dr Abdelaziz
BOUKARA pour m’avoir accueilli dans leur Laboratoire à l’Ecole Supérieure d’Architecture de Marseille et pour m'avoir éclairé de nombreuses pistes de recherches. Ils étaient disponibles à chaque fois que j'ai sollicité leur aide. Je tiens donc à les remercier pour avoir suivi mon travail.
Je tiens à remercier Monsieur Prof ALLILI Abdessamad d’avoir accepté de présider le jury de cette thèse.
Je présente mes sincères remerciements aux Prof Abdelkader DJEDID et Dr Kahina DJIAR pour avoir accepté de rapporter et juger ce travail de thèse.
Enfin je tiens à remercier vivement tous ceux qui ont contribué à l’achèvement de ce travail et grâce à qui cette thèse a été menée à bien.
Je dédie ce travail à :
- Mes chers parents qui m’ont toujours soutenu et encouragé pour aller de l’avant dans
mes études.
- A mon mari pour son soutien moral et surtout sa patience durant l’élaboration de ce
travail.
Les indicateurs morphologiques et géométriques du tissu urbain sont des paramètres clés dans la formation des microclimats externes. Ils ont un effet positif sur le confort thermique des piétons. Cette recherche s’articule autour de l’analyse des interactions entre les paramètres physiques du microclimat et les transformations urbaines. Elle vise également à étudier l'impact de la morphologie du site sur le microclimat extérieur et à comprendre la relation entre la perception subjective et la quantification objective de l'environnement thermique. La démarche mise en œuvre s’appuie sur deux investigations : une quantification des effets microclimatiques tout au long de l’histoire des transformations urbaines, et une analyse des ambiances thermiques basées sur la perception et la simulation du microclimat actuel. L’une et l’autre portent de manière privilégiée sur le quartier historique de Bab El Hadid.
Sur la base des sources historiques, trois états représentatifs ont été définis pour effectuer des simulations à l’aide du modèle ENVI-MET. Les résultats montrent que le faible l’albédo moyen des surfaces et le grand facteur de vue de ciel (FVC) augmentent la température de surface au fil du temps et permettent de distinguer des situations de vote moyen prévisible (PMV) différent dans les trois états. Les modèles de PMV examinés fournissent des informations sur les endroits les plus appropriés pour les piétons.
Notre étude a également porté sur l’analyse du microclimat actuel, en élaborant une enquête par questionnaire et une simulation numérique validée par des mesures physiques que nous avons effectuées sur place dans cinq canyons. Les résultats présentés en termes de vote moyen prévisible (PMV), d'accès solaire et de température de l'air, montrent que les conditions thermiques sont directement liées au facteur de vue du ciel (FVC), au rapport hauteur/largeur (H/L) des rues ainsi qu'à l'orientation des canyons urbains. Les points situés dans les rues orientées nord-sud, présentent une performance acceptable.
Les conclusions de cette recherche ont abouti à l’élaboration des orientations urbaines qui pourraient limiter les conditions défavorables dans les espaces extérieurs. Elles sont utiles aux architectes et aux urbanistes pour la conception et la réhabilitation des centres historiques.
The morphological and geometric indicators of the urban fabric are key parameters in the formation of external microclimates. They have a positive effect on the thermal comfort of pedestrians. This research focuses on the analysis of the interactions between the physical parameters of the microclimate and urban transformations. It also aims to study the impact of site morphology on the external microclimate and to understand and explain the relationship between subjective perception and objective quantification of the thermal environment. The approach implemented is based on two investigations: a quantification of microclimatic effects throughout the history of urban transformations, and an analysis of thermal atmospheres based on the perception and simulation of the current microclimate. Both concern the historic district of Bab El Hadid.
On the basis of historical sources, three representative states have been defined to perform simulations using the ENVI-MET model. The results show that the low mean surface albedo and the large sky view factor (SVF) increase the surface temperature over time and make it possible to distinguish different predictable mean voting situations (PMV) in the three states. The PMV models examined provide information on the most suitable locations for pedestrians.
Our study also focused on the analysis of the current microclimate by developing a questionnaire survey and a numerical simulation validated by physical measurements that we performed in situ in five canyons. The results presented in terms of PMV (Predicted Mean Vote), solar access and air temperature, show that thermal conditions are directly related to the SVF (Sky View Factor), the height/width ratio (H/L) of the streets and the orientation of the urban canyons. Points on north-south oriented streets show acceptable performance.
The conclusions of this research have led to the development of urban guidelines that could limit unfavourable conditions in outdoor spaces. They are useful for architects and urban planners in the design and rehabilitation of historic centres.
صخلم
طبخؼح ثاطشإَىا تٍصىىىفضىَىا تٍسسْهىاو شٍسْيى يطضحىا ٍِ طٌٍبؼَىا تٍسٍئطىا ًف وٍنشح ثبذبَْىا بهى .تٍيحَىا طٍرأح ًببضٌئ ىيػ تحاطىا تٌضاطحىا ةضبَيى . زمطٌ اصه ذحبىا ىيػ وٍيحح ثلاػبفخىا ٍِب طٌٍبؼَىا تٍئبٌزٍفىا خبَْيى ًيحَىا و ثلاىحخىا بَم .تٌطضحىا فسهٌ ىىئ تساضز طٍرأح بٍصىىىفضىٍ غقىَىا ىيػ خبَْىا ًصضبرىا ٌهفو تقلاؼىا ٍِب ًحاصىا ضىصخىا ًػىضىَىا و تئٍبيى .تٌضاطحىا سَخؼٌ شهْىا يصىا ٌح ٓصٍفْح ىيػ ٍِقٍقحح : سٌسحح ثاطٍرأخىا تٍذبَْىا تقٍقسىا ٍِ تساضز هلاذ دٌضبح ثلاىحخىا تٌطضحىا ، وٍيححو ثبئٍبىا تٌضاطحىا ىيػ سبسأ كاضزا ةبمبحٍو خبَْىا ًيحَىا بَهلام .ًىبحىا زمطٌ تقٌططب ةزٍٍَ ىيػ تقطٍْ ةبب سٌسحىا .تٍرٌضبخىا ءبْب ىيػ ضزبصَىا ،تٍرٌضبخىا ٌح سٌسحح دلار ثلابح تٍيٍزَح ءازلأ ةبمبحَىا ًاسرخسبب ًفّا سشىَّ -ثطهظأ .طبٍ شئبخْىا ُأ ظسىخٍ ضبفرّا ضبٍب حطسىا وٍبػو تٌؤض ءبَسىا طٍبنىا ُاسٌزٌ ٍِ تصضز ةضاطح حطسىا ضوطَب وؼضٌو جقىىا ٍِ ِنََىا زٍٍَخىا ٍِب ثلابح جٌىصخىا تطسىخَىا ًخىا تؼقىخَىا ِنٌَ إبْخىا بهب ًف ثلابحىا جىوبْحو .دلازىا سشبَّ ٓصه ٌٌسقح ةطٍذلاا ثبٍىيؼٍ ِػ ٌظؼٍ غقاىَىا تبسبَْىا .ةضبَيى ثزمض بْخساضز ب ضٌأ ىيػ وٍيحح خبَْىا ًيحَىا ًىبحىا ، ٍِ هلاذ تٍئبصقخسا تساضز تٍّبٍبخسا ةبمبحٍو تٍَقض ٌح ققحخىا بهٍْ ٍِ هلاذ ثبسبٍقىا تٌزبَىا ًخىا بهبٌْطصأ تسَذ ًف سٌزبذلأ غقاىٍ ثطهظأ .تٌطضح شئبخْىا تٍسقَىا ٍِ ذٍح ظسىخٍ جٌىصخىا هىصىىا ،غقىخَىا ًسَشىا تصضزو ةضاطح ُأ ءاىهىا فوطظىا تٌضاطحىا تطبحطٍ ةطشببٍ وٍبؼب ءبَسىا تٌؤض تبسّو عبفحضلاا / عضاىشيى ضطؼىا لىصمو ٓبضحا سٌزبذلأا وزَح .تٌطضحىا طبقْىا ةزىصىَىا ًف عضاىشىا هصىَىا ت ىحّ هبَشىا ةىْضىاو ءازأ . لاىبقٍ ثزأ شئبخّ اصه ذحبىا ىىئ طٌىطح ئزببَىا تٍهٍصىخىا تٌطضحىا ًخىا ِنٌَ ُأ سحح ٍِ فوطظىا طٍغ تٍحاىَىا ًف ِمبٍلأا ًهف .تٍصضبرىا ةسٍفٍ ٍِسسْهَيى ٌٍِضبَؼَىا ًططرٍو ُسَىا ٌٍَصخى ةزبػئو وٍهأح زماطَىا .تٍرٌضبخىا تاملكلا ةيحاتفملا : خبَْىا ًيحَىا ، ونشىا يطضحىا ، تحاطىا تٌضاطحىا تٍصضبرىا جٌىصخىا ، ظسىخَىا ،غقىخَىا ُبسَيح .I
Tables des matières
Introduction générale. ... XII
Introduction : ... 1 1. Problématique : ... 2 2. Hypothèses de la recherche : ... 4 3. Objectifs de la recherche : ... 4 4. Méthodologie de la recherche : ... 6 5. Structure de la thèse : ... 6 PREMIERE PARTIE: ... 1
Principes et éléments théoriques : de la crainte sur l’environnement climatique à son interaction avec la morphologie urbaine. ... 1
Introduction de la 1 ère partie:... 8
CHAPITRE I : ... 1
Un état de l’art sur les travaux de recherche. ... 1
Introduction : ... 9
1. Quelques travaux de recherche : ... 9
Conclusion : ... 13
CHAPITRE II : ... 9
Compréhension de la morphologie urbaine et ses indicateurs. ... 9
Introduction : ... 14
1. La morphologie urbaine : ... 14
1.1. Essai de définition de la forme urbaine et morphologie urbaine : ... 14
2. Ecoles d’analyse de la forme urbaine :... 17
3. Indicateurs de la morphologie urbaine : ... 18
3.1. Les indicateurs morphologiques : ... 18
3.1.1. La compacité : ... 18
3.1.2. La densité : ... 19
3.1.3. La rugosité urbaine : ... 25
3.1.4. La porosité urbaine : ... 27
3.1.5. La minéralisation : ... 27
II
3.3. Les indicateurs physiques : ... 34
3.3.1. L’albédo moyen des surfaces : ... 34
3.3.2. La durée d’ensoleillement : ... 35
4. Contexte historique des transformations urbaines modifiant le microclimat :... 36
4.1. Ajustement entre variations spatiales et air insalubre : ... 37
4.1.1. Distribution spatiale face à l’air malsain : ... 38
4.1.2. Vers une prise de conscience interventionniste :... 38
4.2. Intervention salubriste sur la morphologie urbaine : ... 39
4.3. L’avènement de l’urbanisme moderne : ... 40
4.4. Le microclimat et la ville contemporaine : ... 41
4.5. Synthèse : ... 42
Conclusion: ... 43
CHAPITRE III : ... 44
Climat et milieu construit. ... 44
Introduction: ... 44
1. Les paramètres climatiques : ... 44
1.1. La température et le rayonnement solaire :... 44
1.1.1. La température sèche ou humide de l’air: ... 45
1.1.2. La température de rayonnement : ... 45 1.1.3. La température opérative : ... 45 1.2. L’humidité de l’air : ... 45 1.3. Le vent : ... 46 1.4. La nébulosité du ciel : ... 48 2. Définitions et concepts : ... 48 2.1. L’atmosphère : ... 48 2.1.1. Définitions : ... 48
2.1.2. Couches constituants l’atmosphère : ... 48
2.2. La surface urbaine : ... 50
2.3. Les échelles de la climatologie : ... 51
2.3.1. Les échelles spatiales du climat :... 51
III
3.1. Caractéristiques de l’îlot de chaleur urbain : ... 58
3.1.1. Caractéristiques temporelles de l’îlot de chaleur urbain : ... 58
3.1.2. Caractéristiques spatiales de l’îlot de chaleur urbain : ... 59
3.1.3. Echelles de l’îlot de chaleur urbain : ... 59
3.2. Conditions du développement du phénomène : ... 61
3.3. Causes du phénomène l’îlot de chaleur urbain : ... 61
3.3.1. L’exposition aux rayonnements solaires : ... 62
3.3.2. La géométrie urbaine : ... 62
3.3.3. Les propriétés thermiques des matériaux : ... 63
3.3.4. L’impact de la végétation et de l’eau : ... 64
3.3.5. Les activités anthropiques : ... 65
3.4. Impacts de l’îlot de chaleur urbain : ... 66
4. Phénomènes microclimatiques en milieu urbain :... 66
4.1. Effets thermiques et radiatifs en milieu urbain :... 66
4.1.1. Les modes de transfert de chaleur en milieu urbain : ... 66
4.2. Effets aérodynamiques en milieu urbain : ... 67
4.2.1. Effets du vent en milieu urbain : ... 69
4.3. Humidité en milieu urbain : ... 72
4.4. Altération de l’air en milieu urbain : ... 72
Conclusion : ... 73
CHAPITRE IV : ... 43
Caractérisation du confort thermique extérieur. ... 43
Introduction : ... 74
1. La notion d’ambiance :... 74
1.1. Les éléments constitutifs d’une ambiance : ... 75
1.2. Les échelles d’une ambiance : ... 77
1.2.1. L’échelle climatique : ... 77
1.2.2. L’échelle spatiale :... 77
1.2.3. L’échelle temporelle : ... 77
1.3. L’ambiance thermique : ... 77
IV
2.1. Le confort thermique : ... 82
2.1.1. Les approches du confort thermique : ... 83
2.1.2. Paramètres du confort thermique : ... 86
2.1.3. La sensation thermique :... 90
2.1.4. Indices du confort thermique dans les espaces extérieurs : ... 91
3. De la climatologie à la climatologie urbaine :... 98
3.1. Les méthodes descriptives et d’enquête « conceptualisation » : ... 98
3.2. Les méthodes expérimentales « mesures in situ »: ... 98
3.3. Les méthodes numériques « modélisations » : ... 99
3.1.1. Le logiciel ENVI-MET : ... 100
Conclusion : ... 105
Conclusion de la 1 ère partie: ... 106
DEUXIEME PARTIE: ... 107
Quantification des effets microclimatiques et du confort thermique liés aux transformations urbaines dans le quartier de Bab El Hadid à Tlemcen. ... 107
Introduction de la 2 éme partie : ... 107
CHAPITRE I : ... 108
Evolution historique des transformations urbaines du quartier historique de Bab El Hadid. 108 Introduction : ... 108
1. Situation de la ville de Tlemcen : ... 108
2. Bref historique sur l’occupation de Tlemcen : ... 108
2.1. Période Romaine (201 à 670): ... 109
2.2. Période Idrisside: entre 788 et 790 à 828 : ... 109
2.3. Période Almoravide de 1069 à 1145 : ... 110 2.4. Période Almohade: de 1145 à 1235 :... 110 2.5. Période Zianide: de 1235 à 1554 : ... 111 2.6. Période mérinide de 1288 à 1348: ... 111 2.7. Période Ottomane de 1552 à 1842 :... 112 2.8. Période coloniale: ... 112 2.8.1. De 1842 à 1852 :... 112 2.8.2. De 1852 à 1860 :... 113 2.8.3. De 1860 à 1886 :... 113
V
2.9. Après l’indépendance (à partir de 1962): ... 114
3. Evolution du fragment d’étude :... 118
3.1. La situation du fragment urbain :... 118
3.2. L’évolution du fragment urbain à travers l’histoire :... 120
3.2.1. La période Almoravide :... 120
3.2.2. La période Ottomane : ... 121
3.2.3. L’occupation française (XIXème- XXème siècle) : Percements des rues et reconstruction du flanc sud : ... 121
3.2.4. La période post indépendance : ... 126
4. Synthèse des transformations urbaines du fragment d’étude de Bab El Hadid : ... 128
Conclusion : ... 130
CHAPITRE II : ... 131
Caractérisation des indicateurs morphologiques et simulation des effets microclimatiques liés aux transformations urbaines dans le quartier de Bab El Hadid. ... 131
Introduction : ... 131
1. Site d’étude : canyons urbains représentatifs. ... 131
2. Analyse typo- morphologique du secteur d’étude : ... 132
2.1. Caractéristiques de la forme urbaine : ... 133
2.2. Evaluation des indicateurs à l'échelle du tissu urbain :... 140
2.2.1. La densité du bâti : ... 141
2.2.2. La rugosité urbaine : ... 141
2.2.3. La densité végétale : ... 142
2.2.4. La porosité urbaine : ... 142
2.3. Evaluation des indicateurs à l'échelle de l'espace public : ... 142
2.3.1. Le ratio H/L : ... 143
2.3.2. Albédo moyen des surfaces : ... 143
2.4. Synthèse : ... 144
3. Modélisation et simulation avec le modèle ENVI-MET :... 144
3.1. Présentation : ... 144
3.2. Les entrées de simulation : ... 146
VI
4.1. Choix des journées représentatives :... 150
4.2. Les données géographiques : ... 152
4.3. Présentation de la géométrie et propriétés morphologiques des trois configurations urbaines :... 152
4.3.1. Configuration du premier état (période précoloniale, environ 1800):... 152
4.3.2. Configuration du deuxième état (période coloniale, environ 1900):... 153
4.3.3. Configuration du troisième état (période actuelle): ... 154
4.4. Simulation et discussion : ... 154
4.4.1. La géométrie (Input Spaces) :... 154
4.4.2. Indicateur géométrique : ... 156
4.4.3. Indicateur physique : ... 158
4.4.4. Evolution des paramètres microclimatiques des trois configurations urbaines : 160 4.4.5. Caractérisation des indices de confort : ... 167
4.5. Synthèse des résultats : ... 173
Conclusion : ... 176
CHAPITRE III : ... 177
Analyse des ambiances thermiques urbaines basée sur la perception et simulation du microclimat dans le quartier historique de Bab El Hadid... 177
Introduction : ... 177
1. La nécessité de la prise en compte du microclimat dans la conception des espaces urbains: ... 177
2. Méthodes: ... 180
2.1. Zone d’étude: ... 180
2.2. Le climat: ... 182
2.3. Méthodologie : ... 182
2.4. Enquête sur la perception des ambiances climatiques de la zone d’étude :... 185
2.4.1. Présentation du questionnaire :... 186
2.5. Validation : ... 189
2.6. Simulation :... 192
2.7. Indices de confort thermique: ... 193
VII
3.2. Variation de la vitesse du vent à l'intérieur des sites microclimatiques : ... 194
3.3. Analyse du confort thermique : ... 195
3.3.1. Impact de la géométrie urbaine sur la sensation thermique : ... 196
3.3.2. Comparaison des conditions thermiques dans différents canyons urbains : .... 198
3.3.3. Comparaison des résultats de la simulation et du questionnaire : ... 205
3.4. Exposition solaire : ... 206
3.5. Orientations urbaines: ... 207
4. Discussion: ... 209
Conclusion: ... 211
Conclusion de la 2ème partie :... 214
Conclusion générale. ... 215
Références bibliographiques. ... 215
VIII
Liste des figures
Figure 1 : Détail des éléments du système morphologique. ... 16
Figure 2: Le système morphologique. ... 16
Figure 3: La densité bâtie. ... 21
Figure 4: Assiette de calcul des densités brute et nette. ... 21
Figure 5: Différentes formes urbaines pour une même densité bâtie. ... 22
Figure 6: Simplification des formes urbaines au cours du temps... 23
Figure 7: Exemple de calcul de la rugosité urbaine. Etabli par l’auteur. ... 25
Figure 8: Variation du facteur de vue de ciel. ... 29
Figure 9: Représentation du facteur de vue du ciel dans une rue canyon asymétrique. ... 30
Figure 10: Procédé de photographie fish-eye, A droite) appareil photo numérique fish-eye. A gauche) photo prise par l’appareil photo d’un site en Italie. ... 30
Figure 11: Distribution schématique du rayonnement solaire incident dans différents scénarios de ratio H/L... 32
Figure 12: La lumière du soleil limitée pénètre dans les canyons des bâtiments sur la rue chiswell. ... 32
Figure 13: Exemple de ratio du centre urbain historique de Camagüey-Cuba... 33
Figure 14: Stratification verticale de l'atmosphère. ... 49
Figure 15: Les couches thématiques "radiation" et "vent" pour la Florentiner Platz, le centre d’Allemagne. ... 51
Figure 16: Les échelles de climatologie. ... 52
Figure 17: Représentation schématique des échelles climatiques et des couches verticales dans une surface urbaine. ... 53
Figure 18: Canyon urbain. ... 55
Figure 19: Différents échanges radiatifs à travers une surface. ... 55
Figure 20: L’îlot de chaleur urbain... 57
Figure 21: Évolution de la température en deux points de Toulo use, le 25 février 2005 ... 58
Figure 22: Structure verticale de l'atmosphère urbaine des vents supérieurs et inférieurs à 3m/s. ... 60
Figure 23: Illustration du piégeage radiatif. Illustré par l’auteur. ... 62
Figure 24: L’Albédo de l’environnement urbain. Illustré par l’auteur. ... 64
Figure 25: Relation entre les surfaces imperméables et le phénomène d’évapotranspiration. . 65
Figure 26: Comportement de l’écoulement du vent en rencontre de plusieurs obstacles (vue en coupe). Illustré par l’auteur. ... 67
Figure 27: Perturbation de l’écoulement du vent en zone rugueuse (canopée urbaine). ... 68
Figure 28: Comportement du vent en fonction de l’espacement entre les constructions. ... 69
IX
Figure 32: Phénomène d’inversion thermique. Illustré par l’auteur. ... 73
Figure 33: Eléments constitutifs des ambiances. Elaboré par l’auteur. ... 76
Figure 34: Ambiance thermique : sensations et réactions. ... 78
Figure 35: Multiples dimensions de confort... 81
Figure 36: Echanges thermiques entre l’homme et son environnement. ... 84
Figure 37: Facteurs de sensation thermique. Illustré par l’auteur. ... 86
Figure 38: Production de chaleur en fonction de l’activité. ... 87
Figure 39: Polygone du confort. ... 89
Figure 40: Entrée des modèles géométriques pour un quartier de 300mx300 m. ... 100
Figure 41: Profil vertical de différence de température entre divers scénarios d’une zone d’étude à Modène en Italie. ... 102
Figure 42: La zone d’étude élaborée dans Envi-met pour la simulation des scénarios 3 et 4. Source : Marco NORO M et al. ... 102
Figure 43: Résultats de la simulation par ENVI-MET : Evolution des températures de l’air pour évaluation de l’ilot de chaleur urbain pour le cas initial avec les 4 scénarios d’étude. . 103 Figure 44: Les valeurs de PET calculées par ENVI-MET de 10h à 16h pour une hauteur de 1,5 m au –dessus du sol. ... 104
Figure 45: Essai de restitution du plan du Castellum de Pomaria de l’an 47 avant J.C à 433 après JC. ... 109
Figure 46 : Restitution du tracé de Pomaria et d’Agadir par J.Canal. ... 109
Figure 47: Restitution de Tagrart à l’époque Almoravide... 110
Figure 48 : Plan de distribution, d’alignement et de nivellement de Tlemcen (Phase Projet). ... 115
Figure 49 : Terrains urbains disponibles après percement de rues à Tlemcen. ... 116
Figure 50 : Plan reconstituant l’évolution de la trame viaire. ... 117
Figure 51: Extension de la ville de Tlemcen au-delà des remparts, 1950. ... 118
Figure 52 : La localisation du fragment urbain dans la vielle ville de Tlemcen. ... 119
Figure 53 : Délimitation de la zone d’étude. ... 119
Figure 54: Relevé de la zone sud-ouest par le génie français avant leur intervention. ... 120
Figure 55: Evolution de la tour au moment de son annexion à l’enceinte française. ... 122
Figure 56: Porte des carrières avec El Bordj pendant l’époque coloniale... 123
Figure 57: Plan de superposition entre l’ancienne et la nouvelle configuration du quartier de Bab El Hadid. ... 123
Figure 58: Le programme d’aménagement du fragment urbain en 1877. ... 124
Figure 59: Plan et projet d’ouverture de la rue Impériale (rue de Paris) datant de 1868. ... 125
Figure 60: Relevés de la porte des Carrières et du Bordj de Bab El Hadid. ... 127
Figure 61: Vue actuelle sur l’emplacement de la porte des carrières. ... 127
Figure 62: Nouvelles constructions au sein de notre fragment urbain. ... 128
Figure 63: Secteur urbain choisi. ... 132
Figure 64: Secteur d'étude, périmètres de calcul et canyons urbains. ... 140
Figure 65: a. configuration de la zone du parc urbain. b. Interprétation par le modèle ENVI-MET. c. Sortie, température de l’air. ... 146
X
période (2008-2017). b. de la vitesse du vent. c. Valeurs moyennes annuelles pour chaque
année, et écarts types. ... 151
Figure 68: La moyenne horaire journalière de la température de l’air pour les quatre années filtrées à Tlemcen. ... 151
Figure 69: Plan reconstituant la configuration urbaine de l’état 1. ... 152
Figure 70: Plan reconstituant la configuration urbaine de l’état 2. ... 153
Figure 71: La configuration urbaine de l’état 3. ... 154
Figure 72: Interprétation de l’état 1 par ENVI-MET. ... 155
Figure 73: Interprétation de l’état 2 par ENVI-MET. ... 155
Figure 74: Interprétation de l’état 3 par ENVI-MET. ... 156
Figure 75: Facteur de vue de ciel correspondant à l’état 1. ... 157
Figure 76: Facteur de vue de ciel correspondant à l’état 2. ... 157
Figure 77: Facteur de vue de ciel correspondant à l’état 3. ... 158
Figure 78: Albédo moyen correspondant à l’état 1. ... 159
Figure 79: Albédo moyen correspondant à l’état 2. ... 159
Figure 80: Albédo moyen correspondant à l’état 3. ... 160
Figure 81: Intensité du vent correspondant à l’état 1 à 12h00. ... 161
Figure 82: Intensité du vent correspondant à l’état 2 à 12h00. ... 161
Figure 83: Intensité du vent correspondant à l’état 3 à 12h00. ... 162
Figure 84: Evolution journalière de la température de surface correspondant à la configuration urbaine 1. ... 164
Figure 85: Evolution journalière de la température de surface correspondant à la configuration urbaine 2. ... 165
Figure 86: Evolution journalière de la température de surface correspondant à la configuration urbaine 3. ... 166
Figure 87: Distribution du PMV dans la configuration 1. ... 170
Figure 88: Distribution du PMV dans la configuration 2. ... 171
Figure 89: Distribution du PMV dans la configuration 3. ... 172
Figure 90: Variations des PMV à l’intérieur des différentes configurations. ... 173
Figure 91: Points de mesure dans le fragment urbain. ... 181
Figure 92: Coupes transversales de canyons de rue. ... 182
Figure 93: Instrument « Anémomètre CR2032 » pour mesurer les données microclimatiques locales dans le site urbain historique de Bad el Hadid. ... 183
Figure 94 : Température de l’air mesurée et simulée, en fonction de l’horaire pour l’hiver. 189 Figure 95: Température de l’air mesurée et simulée, en fonction de l’horaire pour l’été. ... 190
Figure 96: Le diagramme de dispersion de la température entre la mesure et la simulation en hiver. ... 191
Figure 97: Le diagramme de dispersion de la température entre la mesure et la simulation en été. ... 191
Figure 98: Modèle géométrique de l’étude. ... 192
Figure 99: Comparaison des données de la vitesse moyenne du vent entre microclimat et la référence (station météorologique) de 12 h à 15 h. ... 195
XI
Figure 101: Répartition de la satisfaction à l'égard de l'espace extérieur dans le site historique.
... 198
Figure 102: Comparaison du confort thermique entre les différents canyons urbains en été. 199 Figure 103: Comparaison du confort thermique entre les différents canyons urbains en hiver. ... 199
Figure 104 : Valeurs du PMV pour différents points de mesure à 12h00. ... 204
Figure 105: Valeurs du PMV pour différents points de mesure à 16h00. ... 204
Figure 106: Facteurs de vue du ciel calculés avec ENVI_MET. ... 207
XII
Liste des tableaux
Tableau 1: Classification de la rugosité du terrain. ... 26
Tableau 2: Photos de l'environnement construit, fisheye dans quelques points de la ville de Bijing, Pékin. ... 31
Tableau 3: Valeurs d’albédo de différents matériaux urbains. ... 34
Tableau 4: Indice Humidex et degré d’inconfort perçu... 46
Tableau 5: L’échelle Beaufort. ... 47
Tableau 6: Facteurs et échelles influant l’intensité de l’îlot de chaleur urbain. Illustré par l’auteur... 61
Tableau 7: Production de chaleur en fonction de l’activité ... 86
Tableau 8: Isolement thermique dû aux vêtements. ... 87
Tableau 9: Echelles de sensation thermique. ... 90
Tableau 10: Les échelles de jugements subjectifs sur les conditions thermiques ... 91
Tableau 11: Valeurs de vote moyen prévisible pour différent degrés de perception thermique. ... 93
Tableau 12: Gammes de la température équivalente physiologique (PET) pour différents degrés de perception thermique par les êtres humains et stress physiologique sur les êtres humains, chaleur interne Production: 80 W, résistance au transfert de chaleur du vêtement : 0,9 clo ... 94
Tableau 13: Gamme de confort thermique de la PET dans différentes études. Etabli par l’auteur... 96
Tableau 14: Température équivalente UTCI catégorisée en termes de contrainte thermique. 97 Tableau 15: Caractéristiques recherchées de la forme urbaine. ... 133
Tableau 16: Présentation et lecture morphologique du canyon 1. ... 135
Tableau 17: Présentation et lecture morphologique du canyon 2. ... 136
Tableau 18: Présentation et lecture morphologique du canyon 3. ... 137
Tableau 19: Présentation et lecture morphologique du canyon 4... 138
Tableau 20: Présentation et lecture morphologique du canyon 5. ... 139
Tableau 21: Résultats des calculs des indicateurs à l'échelle du tissu urbain. ... 141
Tableau 22: Résultats des calculs des indicateurs à l'échelle de l’espace public. ... 143
Tableau 23: Correspondance entre PMV et perceptions thermiques. ... 168
Tableau 24: Croisement entre valeurs d’indicateurs physico-géométriques, paramètres microclimatiques et échelles de confort. ... 175
Tableau 25: Données météorologiques mesurées et précision de l’instrument de mesure. ... 183
Tableau 26: Comparaison des données sur le microclimat et les stations météorologiques entre 09h00 et 18h00. ... 184
Tableau 27: Description de la date des enquêtes sur le terrain dans chaque zone. ... 184
Tableau 28: Partie sélectionnée du questionnaire utilisé dans cette étude. ... 187
XIII
Tableau 31 : Echelle de préférence climatique pour l’analyse des résultats de l’enquête. .... 189 Tableau 32: Description du modèle de configuration des limites météorologiques. ... 193 Tableau 33 : Distribution du PMV en hiver dans la zone d’étude. ... 204 Tableau 34: Satisfaction thermique des piétons dans les canyons urbains pendant le mois le plus froid... 206
XIV
Annexe 1: Plan d’alignement – Projet- commission consultative du 22 Février 1851. ... 236
Annexe 2: Plan d’alignement de la ville de Tlemcen approuvé par arrêté du 9 Mai 1877. ... 237
Annexe 3: Plan de la ville de Tlemcen et des faubourgs 1950. ... 238
Annexe 4: Plan des égouts existants et à construire de la ville de Tlemcen en 1866... 239
Annexe 5: Plan des percements au niveau du quartier de Bab el Hadid. ... 240
Annexe 6: Relevé d’une partie de l’enceinte médiévale Sud de Tlemcen. ... 241
Annexe 7: Plan des travaux d’alignements en projet du côté ouest de la ville de Tlemcen. .. 242
Annexe 8: Procès-verbal des Immeubles à exproprier effectuées au niveau de la rue de Paris. ... 243
Annexe 9 : Descriptif de la nature des travaux exécutés au niveau de la zone d’étude. ... 244
Annexe 10: Plan du projet d’ouverture des rues à Bab El Hadid 1868. ... 245
Annexe 11: Les données météorologiques d’entrée pour les simulations. ... 246
Annexe 12: Vitesse de l’air et température de surface pendant l’été 2017 de la configuration urbaine 1. ... 247
Annexe 13: Vitesse de l’air et température de surface pendant l’été 2017 de la configuration urbaine 2. ... 250
XV
C : la convection.
CES: le coefficient d'emprise au sol. CLA: la couche limite atmosphérique. CLU: la couche limite urbaine.
COS: le coefficient d'occupation du sol. DTS: la sensation thermique dynamique. E: l’évaporation.
ET : la température effective. FVC : le facteur de vue de ciel. H/L: le rapport hauteur/largeur. HR : l'humidité relative de l'air. ICU : l’ilot de chaleur urbain. Mskdot: la production de sueur.
OUT_set : la température effective extérieure. PET: la température physiologique équivalente.
PMV: le vote moyen prévisionnel (Predicted Mean Vote).
PPD : le pourcentage de personnes insatisfaites (Predicted Percentage of Dissatisfied ). Q': le bilan radiatif.
QE : le flux de chaleur latente.
QF : le flux de chaleur anthropique.
QH : le flux de chaleur sensible.
∆QA : le transfert de chaleur par advection.
∆QS : le stockage de la chaleur.
R : le rayonnement.
XVI
Ta: la température de l’air.
Tmrt: la température radiante moyenne. Tp : la température des parois.
Tre: la température rectale.
Tskm: la température de la peau moyenne. UTCI: l'indice universel thermique du climat. VblSk: le flux sanguin de la peau.
wettA: l’humidité de la peau. Zd: la hauteur de déplacement.
1
Introduction :
A l’heure actuelle, les villes contemporaines révèlent des problématiques environnementales dans un contexte de changement climatique. Cette question est prioritaire par les effets économiques et sociaux que ce phénomène entraine. A l’échelle de la ville, ce fait se traduit par l’effet d’ilot de chaleur urbain : Une nouvelle dimension dans la lecture de la ville s’ajoute, en combinant diverses connaissances dans différents domaines, tels que la climatologie, la géographie, l’urbanisme, l’architecture et le génie énergétique.
Cette combinaison climat, ville, est devenue l’une des plus importantes, notamment dans les villes européennes, où de multiples efforts se sont mis en place pour assurer la qualité environnementale. Alors, que dans d’autres pays d’Afrique, la prise de conscience de ces effets reste toujours en retard.
La forme urbaine a un impact significatif sur les microclimats et sur les diverses conditions
thermiques dans l’environnement des espaces extérieurs1
. Les espaces extérieurs en milieu urbain sont perturbés par de multiples facteurs, les activités anthropiques, le recours à la climatisation et le chauffage ont des effets négatifs sur le microclimat. D’autre part, la mise en relation entre forme urbaine, végétation et relief crée et influe sur le microclimat.
Le microclimat pourrait intervenir d’une manière positive ou négative sur la qualité sanitaire des espaces et le confort thermique des piétons. Il revêt une importance cruciale par son
impact sur la santé, le bien-être et sur la consommation énergétique2. La pollution et les
maladies seront facilement étendues dans les régions urbaines avec un climat chaud humide et peu ventilé par exemple.
Les paramètres environnementaux jouent un rôle majeur sur le confort thermique dans les milieux urbains à une échelle locale et sont directement influencés par les altérations micro climatiques dûes à l’urbanisation. Les paramètres microclimatiques clefs comprennent la température (effet d’îlot de chaleur), l’ensoleillement, l’humidité relative et le mouvement du vent. Ils varient instantanément en fonction de l'espace et du temps. Ces variations, souvent influencées par la variation de la configuration des espaces publics urbains, peuvent être plus
1 Liu, W., Zhang, Y., & Deng, Q. (2016). The effects of urban microclimate on outdoor thermal sensation and
neutral temperature in hot-summer and cold-winter climate. Energy and Buildings, 128, 190– 197. doi:10.1016/j.enbuild.2016.06.086.
2 Harlan, S. L., & Ruddell, D. M. (2011). Climate change and health in cities: impacts of heat and air pollution
and potential co-benefits from mitigation and adaptation. Current Opinion in Environmental Sustain ability, 3(3), 126–134. doi:10.1016/ j.cosust.2011.01.001.
2
ou moins appropriées au confort thermique des piétons. Par ailleurs, certaines répercutions comme l'utilisation d'une climatisation active et ainsi une augmentation de la consommation
énergétique sont dûes à une mauvaise adaptation climatique des environnements urbains3.
Par ailleurs, La qualité des espaces extérieurs présente un intérêt majeur pour contribuer à la bonne qualité de vie en milieu urbain. Dans cette optique, plusieurs recherches démontrent que les paramètres microclimatiques sont de prime importance du point de vue des activités
qui ont lieu sur le site et jusqu'à un certain point, déterminent l'usage que l'on en fait4-5. Le
temps d’exposition des individus aux conditions microclimatiques du lieu, le genre et la
qualité des activités procure un niveau de confort ou d’inconfort6.
D’autre part, le stockage de chaleur dans les zones urbaines sera plus élevé par rapport aux zones non bâties, causés par les matériaux de revêtement du bâti, des rues, par la morphologie, la densité et l’espace ouvert, ainsi que par les activités de transport et d’industrie7
.
Cette recherche s'inscrit tout d'abord dans le domaine d’investigation portant sur la diversité environnementale en milieux urbains. Elle vise à étudier et analyser le rapport entre la morphologie urbaine, les microclimats et le confort thermique dans les espaces publics extérieurs.
1. Problématique :
Les espaces urbains extérieurs sont caractérisés par de grandes variations d’ambiances architecturales et urbaines sensibles, aux phénomènes météorologiques, aux changements climatiques et aux spécificités du tissu urbain contribuant ainsi à des modifications climatiques perceptibles à tous les niveaux. La conception de ces espaces devrait prévoir la problématique thermique découlant de la relation entre la forme urbaine et les conditions
3
Grundström, K., Johansson, E., Mraissi, M., & Ouahrani, D. (2003). Climat et Urbanisme - La Relation entre le Confort Thermique et la Forme du Cadre Bâti. (Report; Vol. 8). Housing Development and management.
4
Boussoualim, A. (2002). Contribution à la caractérisation de l’impact et de l’incidence du microclimat sur l’usage et les activités en espace public extérieur- Etude de cas à Blagnac -, Architecture, espace management. Thèse de doctorat, Université de Nantes. https://tel.archives -ouvertes.fr/tel-01083203.
5
Nikolopoulou, M. (Ed.) (2004). Designing Open Spaces in the Urban Environ ment: a Bioclimatic Approach. Athens: Centre for Renewable Energy Sources, EESD, FP5.
6 Givoni, B., Noguchi, M., Saaroni, H., Pochter, O., Yaacov, Y., Feller, N., & Becker, S. (2003). Outdoor
comfort research issues. Energy and Buildings, 35(1), 77–86. doi:10.1016/s0378-7788(02)00082-8.
7 Grimmond, C. S. B., & Oke, T. R. (1999). Aerodynamic Properties of Urban Areas Derived from Analysis of
Surface Form. Journal of Applied Meteorology, 38(9), 1262–1292. doi:10.1175/1520-0450(1999)038<1262:apouad>2.0.co;2.
3
climatiques locales. Pour cela, la qualité des ambiances microclimatiques extérieures doit être modifiée lors de la conception.
En particulier, le climat a toujours influencé la conception de la ville, citons l’architecture vernaculaire qui a prouvé son adaptation à l’environnement local.
En milieu urbain, le microclimat est issu d’une interaction complexe entre les paramètres physiques et la ville. La première grandeur : le climat, dépend de la température de l’air et du vent,…et souvent caractérisé par une fluctuation temporelle et spatiale. Quant à la ville, elle comprend les formes morphologiques et géométriques des tissus urbains tels que la rugosité du site, la porosité, l’orientation et les dimensions des masses bâties. Elle compte aussi, les éléments naturels de la végétation et de l’eau, les aménagements urbains et l’activité humaine qui se développe en son sein.
La qualité des ambiances thermiques dans les espaces extérieurs est la base de toute conception bioclimatique. Or, la négligence de ce principe engendre le phénomène d’îlot de chaleur urbain qui a des conséquences bien réelles en terme de confort, de biodiversité, de santé et de consommation énergétique.
En outre, ces conséquences seront accentuées par le changement climatique dû aux émissions de gaz à effet de serre et par une configuration mal adaptée du tissu urbain. En effet, la question de la qualité microclimatique est une problématique très complexe, d’autant qu’elle fait appel à un large spectre de disciplines qui se réunissent autour de la question de la ville, du climat et de l’énergie. En outre, plusieurs études se focalisent sur les configurations urbaines spécifiques telles que les cours, les rues ou blocs du bâti afin de discuter les résultats de l’analyse microclimatique et ce, pour différents climats.
Aujourd’hui, en Algérie, on assiste à une urbanisation accélérée et standardisée constituée de formes spatiales souvent mal adaptées aux exigences du confort urbain. Par ailleurs, les actions de modification des formes urbaines ont contribué à travers l’histoire des villes à modifier le microclimat.
La médina de Tlemcen a connu des transformations et des mutations urbaines qui se sont déroulées depuis la colonisation jusqu’à ces dernières années et ont été d’une ampleur considérable provoquant un bouleversement spatial dans l’organisation urbaine et une altération de la qualité des ambiances extérieures. Une analyse dynamique des
4
transformations urbaines permettra de distinguer les références d’intervention qui ont contribué à réguler les paramètres microclimatiques et environnementaux.
La mise en relation des dimensions microclimatiques et morphologiques dans un contexte de mutations urbaines pour une perspective d’intervention, nous renvoient à un certain nombre de questionnements :
Quelles sont les transformations urbaines qui ont produit par le pass é des variations microclimatiques ?
Quel est l’impact des transformations des formes urbaines de la médina de Tlemcen sur les ambiances thermiques extérieures et sur le confort des individus ?
Parmi ces différentes formes, lesquelles peut-on retenir ou adapter pour réguler le microclimat ?
2. Hypothèses de la recherche :
Les hypothèses suivantes traduisent les questionnements précédents :
- Les transformations urbaines de nature morphologique ont permis par le passé de
modifier le microclimat urbain : l’urbanisme de la période coloniale dans un objectif hygiéniste a contribué à perturber les paramètres microclimatiques dans le but de faire pénétrer le soleil, la lumière et l’air dans les espaces extérieurs et intérieurs.
- Les différences de la forme urbaine affectent les ambiances thermiques extérieures :
plus ces différences sont nombreuses, plus les interactions seront nombreuses. Ces ambiances deviennent non maitrisables et peuvent compromettre le confort des individus.
- Pour définir les indicateurs qui contribuent à réguler le microclimat, nous devons
observer le processus de transformation qui a donné naissance à différentes formes à travers le temps : les interventions pourraient être différentes mais elles convergeraient vers la même modification du microclimat. Ces indicateurs varient dans l’espace et dans le temps, le processus de modification continu du microclimat s’observe sur une durée importante, ou bien dans des phases d’intervention localisées à un moment donné de l’histoire.
3. Objectifs de la recherche :
En analysant les transformations urbaines sur le tissu du quartier de Bab El Hadid, nous cherchons à étudier l’impact de ces interventions sur le microclimat et à définir les indicateurs
5
morphologiques afin de proposer des modalités d’intervention pouvant être applicables par les planificateurs urbains.
Dans le cadre de cet objectif, notre recherche est structurée selon trois objectifs spécifiques et complémentaires et font l’objet de ce qui suit :
a. Définition des différents paramètres qui ont contribué à la modification du microclimat urbain.
Cette recherche a pour premier objectif de définir les indicateurs de la forme urbaine et son développement historique qui interagissent avec les paramètres microclimatiques tels que la température et le vent, portant une modification de l’effet d’îlot de chaleur urbain.
b. Etude de l’impact des transformations urbaines sur les ambiances thermiques.
L’objectif est de se référer au contexte historique pour constituer des références d’intervention afin de définir toutes les transformations des éléments de la forme urbaine pouvant influer sur le microclimat.
Après, nous tenterons d’évaluer les variations que les différentes transformations ont pû induire sur les ambiances thermiques afin de quantifier les paramètres microclimatiques à partir des données morphologiques par des modèles de simulations numériques.
L’objectif devient envisageable, car ces modèles nous permettent de vérifier la pertinence des modes d’intervention sur le cadre bâti du point de vue de leur capacité à réguler le microclimat urbain.
c. Proposition d’un outil d’analyse régulateur du microclimat pour les interventions urbaines.
Ce que nous voulons apporter à travers cette recherche s’inscrit dans la mise en place d’un outil d’analyse et d’anticipation sous forme de règles d’intervention, qui serait, de traduire les modalités de régulation des paramètres microclimatiques et l’action sur la forme urbaine.
A partir de là, nous tenterons de définir les indicateurs morphologiques. Le rôle de ces derniers serait d’informer le concepteur des effets de ces actions sans pour autant lui imposer une forme précise. Entre autres, infléchir les planificateurs urbains vers une utilisation plus accrue d’indices morphologiques porteurs d’une information microclimatique.
6
4. Méthodologie de la recherche :
Pour mener à bien ce travail, nous avons utilisé ces méthodes :
Tout d’abord, un état de l’art sur les travaux précédents est nécessaire pour comprendre les concepts liés à notre recherche, à savoir, interactions entre microclimat et morphologie urbaine, confort thermique extérieur et perceptions microclimatiques des piétons.
Ensuite, l’identification des indicateurs morphologiques de notre zone d’étude consiste à sélectionner les variables affectant le microclimat dans différentes configurations urbaines. L’outil ENVI-MET a été choisi pour la simulation numérique validée par des mesures microclimatiques à l’aide d’un anémomètre CR2032. La simulation permet de prédire de façon correcte la distribution des paramètres physiques à savoir la température de l’air, la vitesse du vent et l’indice de confort thermique PMV. Pour cela nous avons appliqué cette méthode pendant trois périodes différentes de l’histoire.
En effet, la relation entre la perception subjective et la quantification objective de l’environnement thermique a été recherchée. Pour cela, une enquête par questionnaire, a été mise en place afin de combiner la sensation thermique des piétons avec leur degré de satisfaction et de préférence.
5. Structure de la thèse :
Le présent travail est divisé en deux parties principales.
PREMIERE PARTIE: Principes et éléments théoriques : de la crainte sur l’environnement climatique à son interaction avec la morphologie urbaine.
Cette partie théorique entreprend un état de l’art décrivant plusieurs travaux qui ont abouti à des méthodes et résultats dans le domaine de la morphologie urbaine et son impact sur le microclimat.
Elle a pour objectif la compréhension des concepts pour mieux cerner nos objectifs. Elle développe des concepts sur la morphologie urbaine, le microclimat urbain et le confort thermique extérieur afin de comprendre les paramètres urbains en interaction.
Elle comporte quatre chapitres théoriques :
7
CHAPITRE II : Compréhension de la morphologie urbaine et ses indicateurs.
CHAPITRE III : Climat et milieu construit.
CHAPITRE IV : Caractérisation du confort thermique extérieur.
DEUXIEME PARTIE: Quantification des effets microclimatiques et du confort thermique liés aux transformations urbaines dans le quartier de Bab El Hadid à Tlemcen.
Cette partie retrace l’historique des transformations urbaines affectant le microclimat. Il sera question de présenter les principales transformations urbaines de notre cas d’étude pour quantifier et comparer les effets microclimatiques, complétée par une analyse de la perception du confort thermique dans la période actuelle.
Elle est répartie en trois chapitres :
CHAPITRE I : Evolution historique des transformations urbaines du quartier historique de Bab El Hadid.
CHAPITRE II : Caractérisation des indicateurs morphologiques et simulation des effets microclimatiques liés aux transformations urbaines du quartier historique de Bab El Hadid. CHAPITRE III : Analyse des ambiances thermiques urbaines basée sur la perception et simulation du microclimat dans le quartier historique de Bab El Hadid.
PREMIERE PARTIE:
Principes et éléments théoriques : de la crainte sur
l’environnement climatique à son interaction avec la
8
Introduction de la 1 ère partie:
A travers l'histoire, la morphologie urbaine a toujours influencé d'une manière implicite ou explicite le microclimat et le confort thermique dans les espaces extérieurs.
De ce fait, nous allons à travers cette partie étaler notre recherche sur les connaissances scientifiques actuelles pour évaluer le rapport entre la morphologie urbaine et le confort thermique extérieur à l'échelle d'une zone urbaine. Cette partie est structurée autour de quatre chapitres. Nous exposons dans chacun un ensemble de connaissances qui nous permet de mieux cerner notre recherche. Parmi eux, des travaux qui ont abouti à des méthodes et résultats dans le domaine de la morphologie urbaine et son impact sur le microclimat, les éléments de connaissance liés à la morphologie urbaine et ses indicateurs, l'interaction entre le microclimat et le milieu construit et les différentes méthodes pour quantifier la régulation des paramètres physiques par les éléments de la forme urbaine. Nous évoquerons aussi, les éléments permettant d'évaluer le confort thermique extérieur de façon objective ou subjective. Cette partie de recherche constituant une base pour l'ensemble des éléments qui y sont impliqués, nous aidera à l'accomplissement de la démarche propre de notre cas d'étude.
CHAPITRE I :
9
Introduction :
Dans le cadre de la recherche, plusieurs travaux ont abouti à des méthodes et résultats dans le domaine de la morphologie urbaine et son impact sur le microclimat.
Les objectifs sont multiples : certains s’orientent vers l’étude de l’impact de la géométrie urbaine des rues canyons sur le confort thermique, d’autres, sur l’impact de la végétation sur le confort thermique. D’autres encore, font la comparaison entre la densité de deux tissus urbains et leur impact sur le microclimat. Et d’autres, vont jusqu’à l’étude du changement climatique des environnements urbains.
1. Quelques travaux de recherche :
Les proportions géométriques optimales des canyons de rue ont été analysées dans des villes
sur la base de divers critères liés au climat8. Marialena NIKOLOPULOU et ses collaborateurs
ont présenté une étude approfondie à travers l'Europe sur le microclimat et le confort extérieur dans de multiples espaces urbains ouverts afin d’examiner les méthodes d'évaluation et les principes de conception.
Un des indicateurs urbains qui influe sur l’environnement thermique est le rapport de surface verte. Dans ce contexte, des chercheurs ont analysé différentes configurations urbaines de densité variable en prenant en compte l’état de perméabilité ou d’imperméabilité de la surface. D’après leurs résultats, les indicateurs morphologiques et plus précisément l’indicateur de couverture végétale influe sur la variation de la température de surface et cette
dernière varie selon la variation de la température moyenne journalière dans l’axe nord/ sud9.
Nous avons constaté à travers l’étude qui a été menée dans la ville de Lisbonne que deux variables ont été pris : le facteur de vue de ciel et la densité urbaine.
Par la méthode d’analyse de régression, ces chercheurs ont jugé que les résultats n’étaient pas satisfaisants en caractérisant la morphologie urbaine d’une ville entière et que la régression
8 Oke, T. R. (1988). Street design and urban canopy layer climate. Energy and Buildings, 11(1-3), 103–
113. doi:10.1016/0378-7788(88)90026-6.
9 Zhao, C., Fu, G., Liu, X., & Fu, F. (2011). Urban planning indicators, morphology and climate indicators: A
case study for a north-south transect of Beijing, China. Building and Environment, 46(5), 1174– 1183. doi:10.1016/ j.buildenv.2010.12.009.
10
avec la température de surface, le facteur de vue de ciel et la densité sont convenables pour des tissus de taille réduite10.
Dans des conditions proches à notre contexte d’étude, une analyse des effets microclimatiques et du confort thermique généré par la géométrie urbaine et notamment le prospect H/L dans la ville de Fez a été mené.
Le chercheur a comparé la température de surface et l’indice PET dans deux cas de canyons, le premier avec des rues étroites et le second se caractérise par de larges rues.
Les résultats ont montré que les rues canyons étaient plus fraiches que celles larges et cela est dû à leur grand rapport H/L. Mais, pendant la nuit, les conditions microclimatiques
deviennent critiques11.
Néanmoins, il conclue que les rues canyons étroites sont plus stables en matière de confort thermique et ne présente pas l’effet d’ilot de chaleur urbain.
Le stress thermique a été évalué par la mesure de la température radiante moyenne Tmrt dans une étude en Suède. Les chercheurs ont analysé les effets probables de la densité et de la couverture végétale pour des scénarios climatiques actuels et futurs sur une zone de
réaménagement à Göteborg12.
Un des travaux fascinants est celui effectué en Brésil. Ils ont analysé l’influence de la morphologie urbaine sur le confort thermique et le microclimat dans les espaces extérieurs en prenant en compte le FVC et le rapport H/L dans la ville de Curitiba.
Les conclusions de l‘enquête, des mesures et de la simulation ont prouvé que le FVC ne suffit pas, et qu’un certain nombre de variables sont nécessaires pour aboutir à des résultats fiables13.
Dans un grand parc urbain à Athènes, Mat SANTAMOURIS a mené un travail pour améliorer les conditions de confort thermique, réduire l'intensité de la chaleur et améliorer la qualité de
10
Vieira, H. et Vasconcelos, J. (2003). Urban morphology characterization to include in a GIS for climatic purposes in Lisbon. Discussion of two different methods. Proceding 5th Int Conf on Urban Climate, 2, 417–420. https://www.researchgate.net/publication/237255125.
11
Johansson, E. (2006). Influence of urban geometry on outdoor thermal comfort in a hot dry climate: A study in Fez, Morocco. Building and Environment, 41(10), 1326 1338. doi:10.1016/j.buildenv.2005.05.022.
12 Lindberg, F., Thorsson, S., Rayner, D., & Lau, K. (2016). The impact of urban planning strategies on heat
stress in a climate-change perspective. Sustainable Cities and Society, 25, 1–12. doi:10.1016/j.scs.2016.04.004.
13 Krüger, E. L., & Rossi, F. A. (2011). Effect of personal and microclimatic variables on observed thermal
sensation from a field study in southern Brazil. Building and Environment, 46(3), 690– 697. doi:10.1016/j.buildenv.2010.09.013.
11
l'environnement global dans la zone considérée. A l’aide de l’outil de la dynamique des fluides, il a conclu que l'utilisation de matériaux de pavage réfléchissants est une technique
d'atténuation très efficace pour améliorer les conditions thermiques dans les zones urbaines14.
En Algérie, dans la ville de Ghardaia, une étude a été effectuée pour évaluer les conditions de confort thermique dans les canyons de la rue d'un le climat aride en prenant comme variables le rapport d'aspect H/L et l’orientation. Par la suite, les auteurs ont donné des orientations
importantes de conception des rues15.
Mohammed BENZERZOUR a proposé un indicateur « morpho-climatique» en étudiant les transformations urbaines et variations du microclimat dans le centre ancien de Nantes par
l’outil de modélisation et simulation TEB16
.
L’indicateur proposé « ouverture directionnelle » reprend la notion de gabarit liée au canyon, et l’étend à une analyse multidirectionnelle pour l’évaluation de l’ouverture du vide urbain. Il conclut que cet indicateur s’avère prometteur pour rendre compte des interactions entre la morphologie et le microclimat.
D’autres chercheurs ont porté leurs intérêts sur des méthodes de relevés dynamiques in situ. L’auteur a démontré l’effet de cette dynamique environnementale sur la perception des ambiances thermiques d’un piéton. En comparant entre trois tissus situés au Québec, il a croisé les données des enquêtes et de mesures pour analyser les conditions de confort
thermique17.
Depuis les années 60, plusieurs chercheurs18-19-20 ont étudié le confort thermique dans les
espaces intérieurs.
14
Santamouris, M., Gaitani, N., Spanou, A., Saliari, M., Giannopoulou, K., Vasilakopoulou, K., & Kardomat eas, T. (2012). Using cool paving materials to improve microclimate of urban areas – Design realization and results of the flisvos project. Building and Environment, 53, 128–136. doi:10.1016/ j.buildenv.2012.01.02.
15
Ali-Toudert, F., & Mayer, H. (2006). Numerical study on the effects of aspect ratio and orientation of an urban street canyon on outdoor thermal comfort in hot and dry climate. Building and Environment, 41(2), 94– 108. doi:10.1016/j.buildenv.2005.01.013.
16
Benzerzour, M. (2004). Transformations urbaines et variations du microclimat : application au centre ancien de Nantes et proposition d'un indicateur "morpho -climatique". Histoire. Université de Nantes. https://tel.archives -ouvertes.fr/tel-00428536/.
17
Ouamer, A. (2007) Morphologie urbaine et confort thermique dans les espaces publics. Étude comparative entre trois tissus urbains de la ville de Québec, université de Laval.
18 Olgyay, V. (1963). Design With Climate: Bioclimatic Approach to Architectural Regionalism, Issue 1.
Princeton, NJ : Princeton University Press, 224 p.
19
Givoni B. (1969). Man, Climate, and Architecture. Philadelphia, PA : Elsevier Architectural Science Series.
12
Dernièrement, le rapport entre les espaces extérieurs et le confort a été entrepris par Andreas
MATZARAKIS, Marialena NIKOLOPOULOU21-22. Un des travaux important fut le projet
RUROS (Rediscovering the Urban Realm and Open Spaces). A partir d’un travail sur le terrain, ils ont mis en place des questionnaires et des mesures microclimatiques dans sept villes européennes afin de déterminer un indice de confort ASV (votes de sensation effective) et l’utiliser comme un outil de conception.
Des scientifiques ont mis en place une étude portant sur l’évaluation du confort à partir d’enquête auprès des touristes dans la zone historique d’Isphahan en Iran. Le but de cette étude était de déterminer le meilleur moment de la journée d’été afin de visiter chaque site historique. 168 questionnaires ont été effectués. Les questions portaient dans un premier volet les informations personnelles sur les touristes, notamment, leur poids, et leur taille. Le deuxième volet concernait les questions sur la sensation thermique des touristes, préférence thermique, satisfaction thermique, durée du séjour dans la ville, type d'activité, et leur présence dans le site historique avant ce questionnaire.
Ensuite dans chaque site historique les résultats du questionnaire et simulation ont été
comparés. Il a été démontré que trois sites historiques présentent un stress thermique élevé23.
Malgré les connaissances acquises grâce à toutes ces études, la recherche dans ce domaine reste distante avec son application à l'aménagement urbain. Ce n'est que récemment que le microclimat a commencé à être pris en compte dans les projets d'urbanisme, et plus particulièrement aux projets de réhabilitation des espaces publics existants.
Par exemple, un projet de rénovation d'une zone urbaine en Crète dans une île grecque a été accompli selon des critères bioclimatiques pour discuter les paramètres de conception sur le
microclimat et le confort24.
Une autre étude à Athènes décrit la manière exemplaire du processus de réaménagement, de
planification et conception des espaces extérieurs urbains du projet "One step beyond".25. Les
21
Matzarakis, A., de Freitas, C. et Scott, D. (2004). Advances in tourism climatology. Dans Berichte des Meteorologischen Institutes der Universität.
22
Nikolopoulou, M., Baker, N., & Steemers, K. (2001). Thermal comfort in outdoor urban spaces: understanding the human parameter. Solar Energy, 70(3), 227–235. doi:10.1016/s0038-092x(00)00093-1.
23 Nasrollahi, N., Hatami, Z., & Taleghani, M. (2017). Development of outdoor thermal comfort model for
tourists in urban historical areas; A case study in Isfahan. Building and Environment, 125, 356– 372. doi:10.1016/j.buildenv.2017.09.006.
24 Santamouris, M., Gaitani, N., Spanou, A., Saliari, M., Giannopoulou, K., Vasilakopoulou, K., & Kardomateas,
T. (2012). Using cool paving materials to improve microclimate of urban areas – Design realization and results of the flisvos project. Building and Environment, 53, 128 136. doi:10.1016/j.buildenv.2012.01.022.
